Вебинар. Новое поколении TwinCAT HMI

Много клиентов, много серверов, много рантаймов и много всего остального. Основной акцент на слово "много". Сводный обзор по возможностям и полезностям визуализаций в TwinCAT 3 провел Дэймон Томпсон (Daymon Thompson). По окончании на вопросы ответил глобальный продукт-манагер Свен Обершмидт (Sven Oberschmidt). По прежнему хочется "мяса" из инженеров.

Все это уже было, но теперь подводятся какие-то итоги и обещают уже в начале следующего года англоязычную версию.

Основные черты продукта:

• Основан на технологиях пришедших из интернета: html5, css3, javascript.
• Клиенты из-под браузеров (в том числе и Edge) и клиенты на мобильных системах Android и iOS, ведь там тоже есть браузеры, только мобильные.
• Система рассчитана на продолжительный срок жизни: придет и останется с нами надолго.
• Всё такое масштабируемое, модульное и независимое, векторное и веб-ориентированное. Если кратко и без патетики — должно стать удобнее как в разработке, так и в применении.

TwinCAT HMI Creator

Визуальный редактор: не нужно программировать, просто рисуйте и редактируйте готовые шаблоны.

• Интеграция с Visual Studio.
• Интеграция с TwinCAT.
• Редактор с упором на визуальную разработку.
• Использование систем контроля версий (tfs, svn, git, ...).
• Менеджер пакетов.
• Готовые шаблоны проектов.
• Темы оформления.
• Графическая библиотека готовых элементов: SVG, сложные и составные элементы.

TwinCAT HMI Framework

• Готовые контролы (элементы управления интерфейсом):
• стандартные;
• графики, чарты, события/логи/журналы (events);
• пользовательские (самодельные) контролы.
• Применение сложных типов данных (структуры, дата/время и пр.).
• Интернационализация:
• переключение языков;
• национальные единицы измерения, меры длины, денежные знаки и т. п.
• Расширябильность засчет html5 и javascritpt.

TwinCAT HMI Server

Веб-сервер написанный Бекхоффом (фирмой, а не человеком). Обещают, что будет работать на всем, что начинается с CX9020. В том числе и на Windows CE.

• ADS — что позволяет использовать рантайм как от TwinCAT 3, так и от TwinCAT 2.
• OPC UA — что позволит использовать вообще все что угодно.
• Цифровой осциллограф Scope. Пока не понятно куда и как он будет встраиваться, но возможно имеется в виду его серверная часть.
• Безопасность данных (https, tls и прочий эS).
• Уровни доступа пользователей (роли пользователей, login | logout).
• Предварительно подготовленные данные для тестирования и отладки (recipe management).
• Логирование событий.
• Сбор данных.
• Сможет расширяться модулями на C++ / C#.

Разработка

• Сплошная интеграция с Visual Studio.
• Живое взаимодействие с визуализацией во время разработки. Будет сразу видно, что и как работает.
• Графический редактор с набором стандартных и не очень элементов.
• Предварительно настроенные шаблоны, которые можно доработать. Обещают современный внешний вид с анимацией и прочими свистелками.
• Контролы пользователя расширяются с помощью javascript. Серверная часть расширяется на C++ / C#. Можно подготовить заранее темы в корпоративном стандарте под брендбук, а затем использовать во всех остальных проектах.

Про архитектуру уже было в Новый HMI для TwinCAT 3 (8 декабря 2015). Про сценарии применения было в Визуализации в TwinCAT 3 (24 марта 2016), но если кратко:

• Наиболее распространенный сценарий "локальный клиент": визуализация и браузер работают на одном контроллере, а графическая панель подключается через DVI.
• Много клиентов через интернет (например, мобильные телефоны и планшеты) подключаются к локальному клиенту.
• Много клиентов подключается к одной машине с сервером TwinCAT HMI, который собирает (агрегирует) данные с нескольких ADS-серверов (умных коплеров или младших моделей CX).
• Много TwinCAT HMI серверов, которые подключены к одной машине, которая отображает сводные данные со всех других серверов (сервер серверов).

При этом сохраняется мультипротокольность: сервер общается с коплерами по любым протоколам, клиенты подключаются к серверу через http(s) и браузеры.

Лицензирование

• Стоимость не зависит от количеств тегов. 
• Инструменты разработчика бесплатны, включая обновление, сопровождение и поддержку.
• Лицензирование касается только сервера. Клиенты работают бесплатно и не лицензируются.

Стоимость лицензии строится исходя из:

• уровня платформы на которой будет работать TwinCAT HMI Server;
• количества клиентов и целевых систем (target runtimes).

Пример

TF2000 HMI Server — рассчитан на 1 клиента (браузер) и  одну целевую систему (netId), то есть в базовой версии один клиент — один таргет.

Можно добавить клиентов или таргетов:
- TF20x0 Clients Pack 1/3/10/25 (пакет клиентов — один, три, десять дополнительных клиентов).
- TF20x0 Targets Pack 1/3/10/25 (пакет таргетов).

Можно добавить расширения визуализации HMI Extension (Scope, OPC UA) — это расширения для добавления протоколов или дополнительных функций.

В итоге будет сформирована лицензия TwinCAT 3 HMI License.

Итого

• Быстрая разработка, где мало разработки и больше рисования.
• HTML5, javascript.
• Клиент не зависит от платформы. 
• Модные веб-технологии.
• Гибкая архитектура.
• Модульность.

Вопросы-ответы

• Разница между TwinCAT PLC HMI и TwinCAT HMI? Первый будет только патчиться, новые фичи будут появляться только в TwinCAT HMI.
• Какие версии Visual Studio? Пока что 2013-2015. Дальше будет видно, а пока этого достаточно.
• Локальные переменные будут доступны (транслируются) в контекст браузера. Надо смотреть что там имелось в виду.
• Когда? В этом году (2016) немецкая версия, в начале следующего года для всех остальных, кто говорит на английском.
• Веб-сессии (sessions) поддерживаются, информация о веб-клиенте доступна.
• PLC HMI контролы и модные HMI контролы, да и другие элементы тоже, смешивать и перемещать туда-сюда нельзя. Вполне возможно, хотя и маловероятно, в будущем появится конвертер первого во второй, но не обратно.

Пропорционально-интегрально-дифференцирующий

С параметрами ПИД-регулятора можно играться как с кошкой — до бесконечности: пока в колебательный процесс не впадет или не надоест.

Несмотря на тонны матана, прячущиеся за тройкой входных параметров, около 90% регуляторов в мире основано на ПИД (гугл, википедия, нормальное распределение). Именно благодаря простому интерфейсу, скрывающему интегралы-дифуры, использовать ПИД-регулятор невероятно просто, главное правильно отстроить и не умереть от скуки.

TcControllerToolbox.lib — это основная профессиональная библиотека TwinCAT для работы с регуляторами, генераторами и прочими алгоритмами автоматизации. Там много разных штук, но мы посмотрим на ПИД-регуляторы, как самые распространенные и востребованные.

PLC Controller Toolbox

В прайсе эта библиотека обозначена артикулом TF4100. Это для TwinCAT 3. Если вам нужно модернизировать старую систему на TwinCAT 2, ищите TS4100. Библиотека платная, но построена профессионально — с учетом всего того, что просто необходимо учитывать.

Например: все ФБ библиотеки контролируют циклы и тайминги программных циклов. В случае повторного вызова ФБ за один и тот же цикл или если будет пропуск цикла — ФБ адекватно обработает эту ситуацию. Даже если будет пропущен не один цикл или не один раз.

Кроме непосредственно регулирования, блоки ПИД-регулятора умеют дополнительные опции.

FB_CTRL_PI
FB_CTRL_PID

• Контроль интегрального насыщения, верхний и нижний пределы.
• Ручная уставка задания в обход автоматической: можно вмешаться в работу регулятора.
• Ручное отключение интегральной составляющей.
• Жесткий контроль циклов ПЛК-задачи и таймингов.

FB_CTRL_PID_EXT

• Зона нечувствительности для входного значения. При нахождении в ней значение выхода регулятора постоянно.
• Зона нечувствительности для нулевой величины выхода.
• Окно для отключения интегральной составляющей (она постоянна или равна нулю).
• Окно для уменьшения масштаба интегральной составляющей.

FB_CTRL_PID_SPLITRANGE

• Аналогично FB_CTRL_PID, но можно задать разные наборы коэффициентов "p-i-d" для охлаждения (температура ниже нуля) и для нагрева (температура выше нуля).
• Имеет два различных выхода, но активен только один. В зависимости от величины выхода — больше нуля или меньше нуля, он запускает нагрев или охлаждение, обнуляя значение противоположного выхода. Кусок кода, для разнообразия:

fOut := fY;

IF fOut > 0.0 THEN
    fOutPos := fOut;
    fOutNeg := 0.0;
ELSE
    fOutNeg := fOut;
    fOutPos := 0.0;
END_IF

FB_CTRL_PID_EXT_SPLITRANGE

• Всё и сразу: FB_CTRL_PID + _EXT + _SPLITRANGE.

Простой ПИД-регулятор

К тому же бесплатный. Можно было бы перевести дословно — "примитивный", но он работает и это — самое главное.

В бесплатной библиотеке TcUtilities.lib, есть встроенный функциональный блок FB_BasicPID, который умеет три параметра и — все. Больше он ничего не умеет (плюс демпфирование диф.-составляющей T_d, но это у разработчика случайно получилось).

Главное отличие от профессиональной библиотеки — это:

FB_BasicPID

• нет контроля интегрального насыщения;
• нет контроля повторного или пропущенного вызова за цикл. Вызывайте строго один раз за цикл — иначе пожалеете.

С циклом более менее понятно, а вот отсутствие контроля за интегральным насыщением (integral windup, reset windup, integral saturation) может сыграть злую шутку. Мы сейчас попробуем поиграться с этим эффектом, и заодно убедимся, что функция регулятора действительно примитивная.

Да собственно уже играемся — длинная портянка графика справа показывает, как мы сначала нагрели нечто до 27 градусов, а затем пытаемся охладить, но что-то никак не получается...

Зеленый — задание-уставка.
Синий — выход ПИД-регулятора.
Красный — актуальное, текущее значение на выходе исполнительного механизма.

... А все потому, что не хватает возможности исполнительного механизма — он не справляется, а ПИД-регулятор все топит и топит педальку тормоза-охлаждения. И график ползет вниз...

Чтобы хоть как-то исправить ситуацию, мы попробуем ограничить выход регулятора в соответствии с возможностями нашего исполнительного механизма. Предположим, что он может нагреть до 60 и охладить до 18 условных градусов, условного цельсия:

PID(
    SetpointValue := TargetValue,
    ActualValue   := ActualValue,
    Kp := kp,
    Ti := ti,
    Tv := tv,

    Td := td,
    MaxCtrlOutput := Model.LimitHi,
    MinCtrlOutput := Model.LimitLow,
    CtrlOutput    => SetpointValue);

IF SetpointValue < 18 THEN
    SetpointValue := 18;
END_IF

IF SetpointValue > 60 THEN
    SetpointValue := 60;
END_IF

Делаем мы это не из-за того, что не понимаем процессы которые происходят в регуляторы, а просто по причине недоступности внутренностей функционального блока ПИД-регулятора. Ну, не можем мы их исправить. Зато, как обычно, можно написать свой регулятор.

Пока же оставим регулятор как есть, и в итоге получим как на картинке ниже — задание изменилось и кажется, что регулятор чего-то ждет... На самом деле интегральная ошибка убежала далеко вверх (накопилась) и в данный момент стремительно падает, уменьшаясь и пытаясь достичь заданного. И это я еще ждал недолго, за сутки она бы убежала на столько далеко...

Попробуем зайти с другой стороны и заморозим накопление ошибки (интегральную часть). Для этого перепишем часть регулятора:

// расчет интегральной части
IF is_Ipart THEN
    IF (maxLimReached AND (e >= 0.0)) OR (minLimReached AND (e <= 0.0)) THEN
        yi := yi1;                    // замораживаем интегральную часть
    ELSE
        yi := yi1 + di * (e + e1);    // интегрируем
    END_IF
ELSE
    yi := 0.0;
END_IF;

[...]

y := yp + yi + yd;    // суммируем П-И-Д части для расчета выхода регулятора

// проверяем выход на ограничения
IF y < MinCtrlOutput THEN
    y := MinCtrlOutput;
    minLimReached := TRUE;
    maxLimReached := FALSE;
ELSIF y > MaxCtrlOutput THEN
    y := MaxCtrlOutput;
    minLimReached := FALSE;
    maxLimReached := TRUE;
ELSE
    minLimReached := maxLimReached := FALSE;
END_IF

CtrlOutput := y;      // формируем выход функционального блока

Проверяем:

Модель процесса

Это абстрактная модель "какого-то" объекта, имитирующая "какой-то" слегка нелинейный процесс. Чтобы придать модели линейность — уберите в расчете переменной delta часть под квадратным корнем (вместе с самим корнем SQRT) и оставьте только Grow и CycleTime.

PROGRAM Model
VAR_INPUT
    Run       : BOOL;
    Setpoint  : LREAL;
    Grow      : LREAL  := 0.1;    // градусы за секунду
    CycleTime : LREAL  := 0.01;   // секунды
    LimitHi   : LREAL  := 70;
    LimitLow  : LREAL  := 18;
END_VAR
VAR_OUTPUT
    Actual : LREAL;
END_VAR
VAR
    delta  : LREAL;
END_VAR

[...]

IF Setpoint > LimitHi THEN
    Setpoint := LimitHi;
END_IF

IF Setpoint < LimitLow THEN
    Setpoint := LimitLow;
END_IF
 
delta := Grow * CycleTime * SQRT(ABS(Actual * Actual - Setpoint * Setpoint));

IF Actual > Setpoint THEN
    Actual := Actual - delta;
ELSE
    Actual := Actual + delta;
END_IF

Если у вас есть модель получше — присылайте почтой, комментариями и пр.

Про диф.-составляющие

Чаще всего используется ПИ-регулятор. Дальше можете не читать.

Диф. составляющая, предсказывая будущее, тянет регулятора назад, "прижимая" выход и не давая ему вылезти сильно высоко (overshoot). Все эти штуки с предсказаниями могут выйти боком, если плохо понимать процесс, поэтому обычно Д-составляющая попросту не используется: отключают, приравнивая нулю.

Чтобы включить ПИД-регулятор в FB_BasicPID необходимо выставить оба диф. коэффициента в значения отличные от нуля. Причем основным диф. параметром является T_v (он расположен в числителе). T_d — это время демпфирования и находится в знаменателе диф. составляющей. Его значение можно выставить равным единице и тогда останется только основная T_v составляющая диф. компоненты ПИД-регулятора.